[操作系统]第三课

柔情只为你懂 2022-04-23 05:50 271阅读 0赞

> 课程来源《操作系统\_清华大学(向勇、陈渝)》

**1.计算机体系结构及内存分层体系**

计算机体系结构/内存分层体系

基本硬件结构:  
1.CPU（程序执行和控制处），  
2.内存（放置了代码和处理的数据），  
3.设备（I/O）

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]  
内存的层次结构:

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]

CPU的数据放的位置（内存）：  
1.寄存器和CACHE都在CPU内部，速度快容量小，  
2.主存（物理内存）放操作系统本身和应用，通过交换/分页和磁盘交互，  
3.将永久保存的数据放到磁盘中（虚拟内存），慢而容量大，5ms寻道时间。

操作系统对内存分配做了什么：  
(1)抽象，让应用程序不用考虑底层细节，通过访问连续的地址空间，这个地址空间称为逻辑地址空间；  
(2)保护，独立地址空间；  
(3)共享，访问相同内存；  
(4)虚拟化，内存不够时，需要更多的地址空间，利用虚拟化，对应用程序透明

操作系统管理内存的不同机制：  
程序重定位，分段，分页，虚拟内存，按需分页虚拟内存

OS本身也是软件，实现高度依赖于硬件，要知道内存架构，MMU（内存管理单元，硬件组件中负责处理CPU的内存访问请求）

**2.地址空间与地址生成**

主要讲述：地址空间定义、地址生成、地址安全检查

地址空间的概念：

1.物理地址空间是硬件支持的地址空间  
E.G:内存条代表的主存，硬盘代表的磁盘  
起始地址空间0，到地址max

2.逻辑地址空间是一个运行的程序所具有的内存范围，一维线性

二者之间的交互，映射关系，逻辑地址空间落在物理地址空间上。  
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具体过程实例：  
C程序通过编译，汇编，链接link，载入（程序重定位）生成EXE，将逻辑地址映射到物理空间上。  
C程序中函数的位置（入口），变量的名字就是逻辑地址，汇编后（.o文件）起始地址为0，把变量名和函数名转为相应的从0开始的连续逻辑地址，link把多个.o合成一个，放在硬盘中，通过loader应用程序再把exe放在内存中执行，这里有分配地址空间和映射（偏移）的过程。过程与os无关，编译器和loader来完成。此时得到的仍然是逻辑地址，

接下来，物理地址生成的四个步骤  
1， CPU要在内存中执行指令，AOU需要知道这条指令的内容，发送请求，传参数，参数就是逻辑地址  
2， 查表。根据CPU中的MMU（有块区域表示映射关系，如果在MMU没查到会去内存中的MAP找），查表逻辑地址->物理地址。  
3， 找到后CPU给主存（就是内存）发请求，请求一个物理地址的内容（就是指令的内容）  
4， 主存会通过总线把内容传给CPU，CPU执行指令。

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![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTQ0NjU5MzQ_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]

操作系统的作用是：  
1.在这些步骤之前建立好映射表。  
2.以及地址安全检查

逻辑地址要检查起始地址和长度

OS设置逻辑地址的界限和基址，不对就抛出内存异常

CPU—逻辑地址—界限寄存器—–基址寄存器—物理地址（所在位置）—-内存

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**3.连续内存分配：内存碎片与分区的动态分配**

连续内存分配：内存碎片问题、分区的动态分配、压缩式碎片整理、交换式碎片整理

物理内存分配可以分为连续分配和非连续分配。

连续分配会造成内存碎片问题，空闲内存不能被利用，外部碎片，在分配单元间的未使用内存，内部碎片，在分配单元中的未使用内存。

简单的内存管理方法：  
当程序从硬盘加载到内存中时，要分配一个连续的区间；  
当应用程序需要访问数据时，需要分配空间。

分配策略（算法）：

1.  首次适配，从0地址往后查找和使用第一个可用空闲快（要比需要的空间大）。基本实现机制要求把空闲的内存块按地址排序。回收要考虑能否合并内存块，合并相邻的空闲分区。  
    优点：简单，易于产生更大的空闲快，向着地址空间的结尾  
    劣势：易产生外部碎片（随着动态分配加剧），不确定性
2.  最优适配：找比需求大但最接近需求的空闲内存块，产生尽可能小的内存碎片。原理是为了避免分配大空闲块，最小化外部碎片，要求对空闲地址快按尺寸size排序，回收要合并。  
    优点：当大部分分配需要小空间时使用，简单  
    缺点：外部碎片太小太细，不利于后续重分配。
3.  WORSTFIT 最差匹配  
    使用最大的空闲快，大块拆分变小块，可以避免产生太多微小的碎片，也要排序，回收合并。  
    优势：分配中大型SIZE时实用  
    缺点：重分配慢，对大块的请求可能没得用了。

**4.连续内存分配：压缩式与交换式碎片整理**

针对碎片处理：压缩式碎片整理、交换式碎片整理

compression压缩式碎片整理 ：  
重置程序以合并空洞、要求所有程序时动态可重置的，考虑问题：何时重置？开销。  
调整内存中程序运行的位置，通过拷贝尽量把程序放到一起，空出较多的空闲位置。拷贝要考虑何时去挪，不能在程序运行的时候挪，要在waiting时，和开销。

swapping交换式碎片整理 ：  
硬盘当做内存的备份，把waiting的程序包括数据放在磁盘上，腾出空间给其余运行的程序。（抢占waiting程序回收其内存），也要考虑开销和换哪个程序。

硬盘和内存都当做内存用，成为虚拟内存。

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